Кинетика разрушения напряженных полимеров в агрессивных средах
Кинетика процесса коррозионного растрескивания оценивается по кривым спада напряжений в образцах при образовании в них трещин, которые называют кинетическими кривыми растрескивания. Они выражаются зависимостью
σ = f (τ) (рисунок 7). На этой зависимости заметны три характерных участка. Первый участок – индукционный период, в течение которого не наблюдается видимого уменьшения напряжений в материале (ОА). Окончание этого периода в точке А совпадает с моментом появления видимой трещины. Поэтому индукционный период есть отрезок времени от момента нагружения до момента появления видимой трещины.
Рисунок 7 ─ Кинетическая кривая растрескивания
Второй участок (АВ) – участок непрерывного увеличения скорости роста трещины. Он соответствует нестационарному растрескиванию. Третий участок (ВС) – стационарный участок роста трещины, который характеризуется постоянной во времени скоростью роста трещины, быстро приводящей к разрушению.
Вид кинетической кривой растрескивания зависит от начального напряжения, возникшего в материале. С ростом σ (точка D) сокращается продолжительность индукционного периода (точка А1) и нестационарного участка роста трещины (А1В1). При высоких начальных напряжениях продолжительность этих участков может уменьшиться до нуля и останется только участок стационарного роста трещины, быстро приводящий к разрушению.
|
|
|
С уменьшением начального напряжения растет продолжительность индукционного периода, то есть при σ, приближающейся к нулю, растрескивания образца происходить не будет. Это значение напряжения можно было бы считать критическим, ниже которого материал не будет растрескиваться. Однако, состояние σ = 0 в полимерных материалах не достижимо, т. к. они характеризуются очень высоким уровнем внутренних напряжений, возникающих еще при изготовлении полимерного материала. Это означает, что с течением времени полимерные материалы обязательно будут растрескиваться даже при полном отсутствии внешних нагрузок, хотя индукционный период при этом может быть весьма продолжительным.
Для полимеров при развитии коррозионных трещин справедливо выражение (3.14).
τр = τи + τвт, (3.14)
где τи – индукционный период растрескивания.
τвт – период роста видимой трещины вплоть до разрушения.
Если τи >> τвт, то зависимость τи от ε и τр от ε будут описываться монотонно падающей кривой. Если τи << τвт, то зависимость долговечности материала от деформации будет описываться кривой с минимумом при каком-то значении ε, то есть при изменении величины деформации от минимальной как в сторону уменьшения, так и увеличения будет наблюдаться рост долговечности материала.
|
|
|
Снижение долговечности с ростом деформации понятно, а рост τр при увеличении деформации выше минимальной объясняется, исходя из представлений о статической усталости материала. Объяснение сводится к тому, что в области малых деформаций развитие трещин индивидуально, то есть развивающиеся трещины не влияют друг на друга. При этом увеличение деформации ведет к росту скорости разрастания трещин и снижению долговечности.
Когда же с ростом деформации трещины раскрываются настолько, что начинают влиять друг на друга, рост трещин замедляется. При этом две соседние трещины при разрастании будут оказывать друг на друга сжимающее действие и рост трещин будет замедляться.
При некотором значении деформации в вершинах трещин под действием этих сил будет развиваться молекулярная ориентация материала вдоль оси напряжений. Это приведет к упрочнению материала поперек оси ориентации, что и вызовет рост долговечности. Значит, можно считать, что наличие критической деформации εкр, выше и ниже которой долговечность материала растет, связано с ориентированным состоянием полимера в условиях коррозионного растрескивания.
|
|
|
Наличие агрессивных сред должно сказываться на способности материала к ориентации при растрескивании. Наглядно проследить влияние агрессивной среды на величину критической деформации можно на диаграмме зависимости τр от ε (рисунок 8).
Рисунок 8 ─ Зависимость долговечности от деформации
Предположим, при увеличении деформации ориентации в материале не происходит. Тогда долговечность материала с ростом ε будет монотонно падать и описываться гипотетической кривой 1-1. Развивающееся ориентированное состояние материала должно приводить с росту долговечности. Влияние процесса только упрочнения материала выразится гипотетической кривой 2-2. Вначале будет наблюдаться индукционный период, когда трещины не влияют друг на друга. Затем долговечность будет расти за счет развивающейся ориентации в материале и выйдет на постоянное значение, соответствующее предельно возможной ориентации Реально наблюдаемая зависимость с минимумом 3-3 получается графическим суммированием гипотетических кривых 1-1 и 2-2.
|
|
|
В присутствии агрессивной среды уменьшается межмолекулярное взаимодействие в полимере. При этом сопротивление материала деформации падает и гипотетическая кривая 1-1 перейдет в гипотетическую кривую 4-4, которая будет расположена ниже, т. к. одной и той же деформации будет соответствовать меньшая долговечность.
В присутствии агрессивной среды будет облегчена и ориентация макромолекул материала и кривая 2-2 перейдет в кривую 5-5, лежащую выше. При суммировании гипотетических кривых 4-4 и 5-5 получим реальную кривую 6-6, из которой видно, что величина критической деформации сместилась в сторону меньших значений, то есть в присутствии агрессивной среды материал будет иметь минимальную долговечность при меньших значениях деформации.
На величине критической деформации сказывается также концентрация агрессивной среды. Ее рост приводит к ускорению растрескивания, то есть к уменьшению величины εкр. Однако эта зависимость не всегда линейна, иногда она носит даже степенной характер.
С увеличением степени деформации материала зависимость скорости коррозионного растрескивания от концентрации агрессивного агента падает и при больших деформациях процесс растрескивания практически не зависит от концентрации среды. На величину критической деформации оказывают влияние температура и возможное набухание в агрессивной среде, но их влияние неоднозначно.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 419; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!